Hardware Design of Air Intelligence Plotting Automatic System
摘要：介绍了基于单片机的空情标图自动化系统硬件设计方案，通过对系统的硬件功能模块分析，详细探讨了本系统硬件的设计思路与方法。系统以单片机89C51为核心部件，由限幅放大电路、缓冲电路、电平指示、音频解码电路、解码指示、单片机解码编码系统、串口通讯电路等模块组成。并对功能模块和编码与解码设计方法进行了具体的分析。电路在软、硬件设计中通过采取一些有用措施，使得系统具有较强的抗干扰能力和适应性。
关键词：空情标图；自动化；硬件；设计
Abstract: Based on microprocessor, the hardware design plan of air intelligence plotting automatic system were putted forward, and detailedly discussed the design concept and method with the analysis of hardware function modules. This system adopted microprocessor 89C51 as the kernel component, and consisted of limiting amplifier circuit, buffer circuit, level indicating, audio-frequency decoding circuit, coding and decoding system for microprocessor, COM port communication circuit and etc. Further, the design methods of function modules and coding and decoding system are analyzed in detail. Finally, some anti-interference measures are adopted for the system reliability.
Key words: air intelligence plotting; automatization; hardware; design
引言
空情标图自动化系统是将收讯机接收的空情信息（电码信号），经过前期处理和单片机的编码与解码，直接转化为数字和字符符号，经串行口传给微机；微机对单片机传过来的信号进行解密，还原为实际的空情信息，在空情图板上自动地标绘出来。在军事上可以为防空兵提供远方空情信息，在未来反空袭作战中是自动化预警必备功能；在民用上可以提供导航、空中管理与监控等信息保障手段[1]。
无线电情报的电码信号由长短不同的两种音频信号经过不同的组合来表示不同的数码和字码[2]。它必须可靠转换为数字和字符符号才能充分发挥空情标图自动化系统的功能。但无线电信号由于受到空间各种电磁波的干扰，以及信号本身由于发报员的手法不同，实际信号不是简单的高低之间关系，受到微机的开关电源和高频电路的影响，使得信号源波形更加复杂，所以抗干扰问题成为硬件设计的最大的难题。要自适应不同音频信号，硬件设计必须具有自动跟踪功能。本文的空情标图自动化系统硬件设计就是以最大程度地解决这两个问题为出发点，结合单片机技术，在满足使用要求的前提下，力求使电路结构简单，使用成本降低，并必须保持系统应有的可行性、可靠性和准确性。
1 电路设计的思路与方法
空情标图自动化系统总体包括两部分：模拟信号处理和单片机采集处理传送两部分,共分为七个功能模块，它们分别是限幅放大电路、缓冲电路、电平指示、音频解码电路、解码指示、单片机解码编码系统、串口通讯电路。总体电路的方框图如图1所示。
图1 总体电路方框图
1.1 放大电路
由于直接从收信机接收到信号比较弱，如果直接加到音频解码电路进行处理，会导致系统解码时误码率比较高，为此系统采用LM358设计为反相比例放大电路，对从收信机接收到的信号进行限幅放大。反相比例放大电路的反相输入端为虚地点，它的共模输入电压可视为0，对运放的共模抑制比要求小。并且由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可视为0，带负载能力强。
该电路的放大倍数  ，可通过改变反馈电阻  阻值，根据实际需要调整。
1.2 电平指示电路
从限幅放大电路输出的信号经滑动变阻器的分流后，一路流向缓冲电路，另一路流向电平指示电路。电平指示电路主要由一个电压比较器构成，用来指示输入信号的幅度范围。通过比较器的输出电平来控制晶体管的导通与截止，从而来驱动发光二极管LED的亮或灭，根据LED的工作状态，可以判断输入NE567的电压是否在所要求的电压范围之内。系统采用精密稳压块TL131，利用它输出2.5V的精密电压，通过变阻器的分压，得到所需的参考电压  值。
1.3 音频解码电路
音频解码电路主要由NE567构成，用来把原始输入模拟信号即800Hz~1200Hz之内固定的断续音频转化为单片机所能识别的脉冲信号。
使用NE567时，当从芯片输入端第3脚输入的信号频率符合电路的中心频率 时，芯片输出端脚8输出逻辑0状态，当输入信号频率在以 为中心的一定带宽以外时，脚8输出1状态。
这样，解码电路就可以把原始输入模拟信号即800Hz~1200Hz之内固定的断续音频转化为单片机所能识别的脉冲信号，而在其范围之外的其他频率干扰信号都被隔离滤过，具体电路如图2所示。
1.4 解码指示电路
解码指示电路主要由判断分电路和显示分电路两个分电路组成，用来指示解码后的脉冲信号。判断分电路部分是一个反相输入过零比较器，当解码后输出的脉冲信号是逻辑0时，比较器输出高电平，使显示分电路中的晶体管导通，驱动发光二极管LED，使LED点亮。当解码后输出的脉冲信号是逻辑1时，比较器输出低电平，使晶体管截止，LED不能点亮。
1.5 单片机的编码与解码电路
由于前级已将信号处理成标准的脉冲信号，只要识别出脉冲序列的脉宽及间隔宽度，再经过优化处理及编组就可以查表得出对应的数符和字符，并识别出词间隔。对于脉宽的测量系统使用了单片机的中断来处理。前级送来的信号高电平是实际的间隔，而低电平才是真正的编码。这刚好和AT89C51的低电平中断相应，简化了电路设计[3]。
在单片机处理时，需要大量的运算，加上采用了压码方式（先采集保存，再运算处理的方式），需要大量的数据存储空间，而AT89C51仅有128字节RAM，因此外扩6264作为数据存储器，用74373作为地址数据线分时共用的锁存器，编码电路如图3所示。
1.6 串口通讯电路
单片机的串行口与微机的串行口进行通讯，将解出来的字符码通过串行口传给微机，但是由于单片机串行口电平与微机串行口电平性质不同，不能直接进行通讯，必须增加一个串口通讯电路，本电路选用集成的电平转换芯片MAX232收发器，它具有ESD保护、120Kb/s数据率、单一电源供电、保证3V/μs变化速率最小值等特性；用它对电平进行转换，可以确保通讯的正确率与可靠性[4]。
2 编码与解码程序设计的思路与方法
2.1 符号表编组存储方法
电码分为字码、数码与勤务用码三大类，数码又分为数码短码、数码长码与数码老码三种类型，字码即A——Z共26个字符，数码为0——9共10个字符，勤务用码如：“开始”、“稍等”、“错误”等等；尽管电码有字符、数符、标点符等之分，但是都是有点和划组成，特别适合计算机的0、1表示方法。由于空情中使用较多的数符，下面以数符为例介绍编码方法，如数符“0”，其莫尔斯码短码为“哒”，“1”的莫尔斯短码为“嘀哒”，“2”的短码为“嘀嘀哒”，4的莫尔斯短码为“嘀嘀嘀嘀哒”，如果将“嘀”赋值0，“哒”赋值1，则0可以用B0表示（B表示二进制数），1用B01表示，2用B001表示，4用B0001表示，表面上看，这四个数符的二进制编码的值都是1，但实质每个二进制码的原始位数并不一样，分别是1位，2位，3位，4位，因此可以用一个二位数组来编组，行数是码的位数，列是对应编码的值，对照莫尔斯电码表可以得到如下的编码数组：
Code_char[6][32]={
{0x00},
{'E','0','!','*','%','^','&'},
{'I','1','9','M'},
{'S','2','R','W','8','K','G','O'},
{'H','V','F','$','L',0x00,'P','J','B','X','C','Y','Z','Q'},
{'5','4',0x00,'3',0x00,0x00,0x00,'2',0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,'1','6','=',0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,'7',0x00,0x00,0x00,'8',0x00,'9','0'}
};
由于实际空情系统使用的数符，极少用字符，所以，当数符短码和字符短码有相重复时，本文统一取为数符。
2.2 查表解码方法
在准确测出每个码的时间后，可以采用模糊判断，确定其为“嘀”还是“哒”，测出每个间隔的时间后，确定间隔是“码间隔”、“字间隔”、“词间隔”。在“字间隔”或者“词间隔”之后，解到一个码，则变量X（X初始值为0）自加1，同时变量Y（初始值为0）左移1位，并加上码值（“嘀”赋值0，“哒”赋值1）赋值给本身，遇到“码间隔”则不作任何处理，遇到“字间隔”则以X为行值，Y为列值，通过查表得到对应的数符或者字符，并立即通过串行口发送给上位机，遇到“词间隔”不仅以X为行值，Y为列值，通过查表得到对应的数符或者字符，立即通过串行口发送给上位机，而且附加发送间隔符“*”。
2.3 抗干扰措施
理想的信号源波形如图4（a）所示，而实际的信号波形如图4（b）所示，一块理想高电平被分为几块宽度不等的高电平，一个理想的低电平也被干扰高电平分成几块，通过实验发现此种干扰电平的宽度一般不超过6毫秒，而信号的宽度一般大于45毫秒，对于这种干扰，程序中采用多次延时的方法消除，具体的方法如图4（c）所示，以高电平为例，从开始进入高电平到第一次进入低电平时，延时6毫秒，查中断口0的电平状态，如果是低电平就读出高电平的宽度值，说明此低电平不是干扰电平；如果是高电平，程序就等待下一个低电平的到来，然后再延时6毫秒，再次查中断口0的电平状态，如果是低电平就读出高电平的宽度值，如果是高电平，重复上一过程；根据实际情况，最大延时次数定为5次；低电平的抗干扰方法与此一致。此种方法虽然造成一定的延时，但由于是总体延时，所以不会产生任何影响。
另一抗干扰措施就是判断高低电平的宽度值是否符合理想信号源波形宽度的取值范围。此宽度值可以通过计算求得，在取值范围之内有效，取值范围之外则忽略。
2.4 自适应方法
电码的频率从60码/分到150码/分不等，最快是最慢的2.5倍，所以对高低电平取值范围的判断必须是一个动态值，以适应不同的码速，程序当中对已经满足信号源取值范围的高、低电平分别求取20个累加和，根据情报规律和不同的比例关系，乘以不同的比例系数，来判断是“嘀”或“哒”，是“小间隔”、“间隔”或“大间隔”；累加和达到20以后，第21个电平值取代第一个电平值，如此类推，总数不变，随时跟踪码速的变化。
3 结束语
本文创新点是：本系统采用NE567单片锁相环单音解码，得到单片机处理所需的脉冲信号，结构简单，处理效能高，而且由于是利用信号的频率特征进行处理，不受输入信号音量大小影响。另外采用软件抗干扰措施，使电路简化并更加可靠。本文提出的基于单片机的空情标图自动化系统硬件设计为防空指挥自动化系统提高了空情数据的接收、传递和处理能力，具有更广泛的应用前景。
参考文献：
[1]张海腾, 李定主. 空情仿真系统的研究与开发[J]. 电脑开发与应用, 2003, 7: 8-9
[2]丁鹭飞, 耿富录. 雷达原理[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 1984.
[3]洪家平. WINDOWS环境下PC机与单片机的通信[J]. 微计算机信息, 2005,3: 43-44
[4]江太辉, 石秀芳. MCS-51系列单片机原理与应用[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 2002.
作者简介：黄振全（1973.11-），男，汉族，湖北江陵人，讲师，硕士，研究方向：计算机仿真、火炮随动技术。
(541003 桂林空军学院)黄振全 朱全福
(73136部队)庄晓明
通讯地址：（541003 广西桂林空军学院一大队火力教研室）黄振全
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